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宁波大学翁更生副教授与康涅狄格大学何杰教授在湿度刺激力学与光学可逆响应坚韧弹性体方面取得新进展
2019-07-16 来源:中国流变网    点击次数:575次    

  自然界中许多生物在应力或外界环境影响下可表现出光学或力学性质的响应性。如章鱼在受到攻击时,其皮肤会发生力学性质和颜色的改变;松果在干燥环境下会打开。基于对自然界这类现象的理解,学者们利用各种动态相互作用,例如:氢键、配位键、疏水作用及动态共价键等,已开发出多种外界刺激下性能调节性仿生智能材料。特别地,在同一材料中同时实现光学与力学性能耦合响应(如通过材料的颜色变化即可反映其力学状态变化)极具潜在应用价值,但这一类材料的开发仍然具有挑战性。

  针对智能材料的光学与力学性能可逆耦合响应这一研究前沿,宁波大学翁更生副教授与美国康涅狄格大学何杰教授等人在《Advanced Functional Materials》发表了一篇题为“An Adaptable Tough Elastomer with Moisture-Triggered Switchable Mechanical and Fluorescent Properties”的研究论文。该研究基于团队前期在Eu-IDA(亚氨基二乙酸)动态配位调控聚合物水凝胶的多重荧光色彩响应方面的成果(Advanced Materials, 2018, 1706526),利用红色荧光发射性的镧系金属离子(铕,Eu3+)与含IDA配体的聚2-(2-甲氧乙氧基)甲基丙烯酸乙酯通过动态配位作用构筑第一重物理交联网络,然后再引入另外一重共价交联网络,最终得到如图1所示坚韧性湿度刺激响应弹性体

图1 坚韧性湿度刺激响应弹性体的制备与多重响应性示意图

  该弹性体表现出强而韧的力学性能,Eu-IDA动态配位对该弹性体力学性能有显著影响。仅加入少量Eu3+离子(IDA:Eu = 7:1, mol),杨氏模量即有一个数量级的提高,同时力学强度与伸长率也明显提高。此外,由于在外力作用下Eu-IDA动态配位的络合与解络合,该弹性体也表现出足够大的能量耗散及其恢复性(图2)。在该弹性体中,IDA作为Eu3+离子的“天线”,可实现较强的红色荧光发射性。由于Eu-IDA动态配位在湿度影响下可发生可逆的络合与解络合,因此可表现出荧光的开/关效应;另一方面,Eu-IDA配位对力学性质有显著影响,其络合与解络合也可实现明显的力学性能强弱的开/关效应。最终可实现湿度刺激下的荧光色彩与力学性能的耦合响应(如图3和4)。该弹性体在生物传感器、可穿戴光电器件、防伪等方面有潜在应用。除了湿度响应外,Eu-IDA动态配位的pH及竞争性金属离子响应性(如Fe3+)也进一步扩展了该弹性体的应用。

图2 坚韧性湿度刺激响应弹性体的力学性质

图3 湿度刺激弹性体薄膜的荧光色彩可逆响应

图4 湿度刺激弹性体的力学性质可逆响应

  以上工作得到了浙江省自然科学基金、宁波市自然科学基金、宁波大学王宽诚幸福基金、康涅狄格大学及美国自然科学基金委的资助。宁波大学材化学院硕士生周星王立兵